Abstract

In this thesis, a solid-state 3D imager receiver architecture based on the direct time-of-flight (dTOF) technique is discussed, implemented and tested. The distinctive feature of this work is the combination of a unique laser diode (LD) transmitter operating in enhanced gain-switching mode and a highly integrated single-chip SPAD/TDC array receiver. The LD transmitter is capable of producing short/energetic (~100–200 ps FWHM/~1–5 nJ) laser pulses at pulsing frequencies of some hundreds of kHz with a rather simple driver structure and small size. Another distinction of this work is the receiver IC architecture strategy of separating the SPAD array from all the on-chip electronics in a dedicated chip area, with the aim of achieving a high fill factor.

To evaluate the above-mentioned architecture, a receiver IC based on SPAD/TDC arrays was developed in a 0.35 μm HVCMOS technology. This IC, which included 9×9 SPADs and 9+1 TDCs, was paired with an LD transmitter and tested in a 3D imager prototype. The verification measurements of circuit/system-level performance confirmed the possibility of a compact low-cost solid-state 3D imager with spatial resolution of a few kilo pixels, cm-level depth precision and a frame rate of tens of fps based on the given architecture.

Working from the results obtained with the first prototype, a second IC was designed and manufactured in the same HVCMOS technology, which was a combination of a 128×32 SPAD array and a 256+1 TDC array. Two ICs were used to form a receiver with 8-kilo pixel spatial resolution and combined with a LD transmitter into a compact USB-powered 3D imager (total size 5×7×4 cm³). The LD transmitter provided an average optical power of 1 mW at a wavelength of 810 nm, producing 150 ps pulses at a pulsing frequency of 250 kHz and targeting a field-of-view of ~42°×21° with flood-pulsed illumination by means of simple optics. The 3D imager demonstrated frame rates of 5–10 fps with cm-level precision in the case of Lambertian targets within a range of 5 m.

Tiivistelmä

Työssä on suunniteltu, toteutettu ja testattu vastaanotinarkkitehtuuri 3D etäisyyskuvantamiseen. Mittaus perustuu tietyssä toimintamuodossa olevan, tarkoitusta varten suunnitellun laserdiodin tuottamien pulssien kulkuaikojen mittaamiseen korkean integraatioasteen omaavalla, yksittäisiä fotoneja ilmaisemaan kykenevällä SPAD/TDC IC-piirillä. Laserdiodilähetin tuottaa lyhyitä ja energisiä (~100–200 ps FWHM/~1–5 nJ) laserpulsseja satojen kHz:n pulssitaajuudella pieneen tilaan toteutetun elektroniikan ohjaamana. Eräs työn tärkeä piirre on valittu vastaanotinarkkitehtuuri, jossa fotoni-ilmaisinmatriisi (SPAD-matriisi) on erotettu muusta vastaanotinelektroniikasta korkean ilmaisuhyötysuhteen aikaansaamiseksi.

Arkkitehtuurievaluaatiota varten työn alussa kehitettiin 0,35 μm:n HVCMOS-teknologiassa toteutettu vastaanotin IC-piiri, joka sisältää 9×9 fotoni-ilmaisinta ja 9+1 aika-digitaali-muunninta samalla sirulla. 3D testimittaukset varmensivat arkkitehtuurin toimivuuden ja osoittivat, että siihen perustuen on mahdollista kehittää edullinen, ilman liikkuvia osia toimiva 3D kuvanninteknologia, jolla voidaan saavuttaa cm-luokan etäisyysmittaustarkkuus ja muutaman kilopikselin spatiaalinen resoluutio sekunnin murto-osien mittausnopeudella.

Näihin tuloksiin perustuen työn seuraavassa vaiheessa suunniteltiin laajempi vastaanotin IC, jossa on 32×128 pikseliä sisältävä fotoni-ilmaisinmatriisi ja 256+1 aika-digitaali -muunninta samalla sirulla. Piiri toteutettiin 0,35 µm:n HVCMOS teknologiassa. Kahta tällaista vastanotinta käyttäen toteutettiin kompakti (koko 5×7×4 cm³ laserlähettimen kanssa), USB-väylästä virroitettu 8 kilopikselin 3D etäisyyskuvannin. Laserdiodilähettimen keskimääräinen optinen teho on n. 1 mW ja se toimii 810 nm:n aallonpituudella. Lähetin tuottaa 150 ps:n pulsseja 250 kHz:n pulssitaajuudella kuvantimen ~42°×21° mittausavaruuteen. Toteutettu 3D kuvannin tuottaa etäisyyskuvia n. 5 m:n etäisyydellä olevista kohteista cm-luokan tarkkuudella 5–10 kuvaa sekunnissa mittausnopeudella.

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Jahromi, S., Jansson, J., Nissinen, I., Nissinen, J., & Kostamovaara, J. (2015). A single chip laser radar receiver with a 9×9 SPAD detector array and a 10-channel TDC. ESSCIRC Conference 2015 - 41st European Solid-State Circuits Conference (ESSCIRC). https://doi.org/10.1109/esscirc.2015.7313903

2. Jahromi, S., Jansson, J.-P., & Kostamovaara, J. (2015). Pulsed TOF laser rangefinding with a 2D SPAD-TDC receiver. 2015 IEEE SENSORS. https://doi.org/10.1109/icsens.2015.7370556

3. Jahromi, S., Jansson, J.-P., & Kostamovaara, J. (2016). Solid-state 3D imaging using a 1nJ/100ps laser diode transmitter and a single photon receiver matrix. Optics Express, 24(19), 21619. https://doi.org/10.1364/oe.24.021619

4. Jahromi, S., & Kostamovaara, J. (2018).. Timing and probability of crosstalk in a dense CMOS SPAD array in pulsed TOF applications. Optics Express, 26(16), 20622. https://doi.org/10.1364/oe.26.020622

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

5. Jahromi, S., Jansson, J.-P., Keranen, P., & Kostamovaara, J. (in press). A 32 x 128 SPAD-257 TDC Receiver IC for Pulsed TOF Solid-State 3-D Imaging. IEEE Journal of Solid-State Circuits. https://doi.org/10.1109/jssc.2020.2970704

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version